?127mm鉆桿防磨套設計及有限元力學分析

劉超平，陳森強

（1.新疆石油工程設計有限公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

國內外鉆具服務公司為了避免鉆桿磨損，最初采取了鉆桿接頭敷焊硬質合金耐磨帶的措施，但隨著此類鉆桿的廣泛應用，發現這種方式存在較大弊端：雖然硬質合金耐磨帶保護了鉆桿，但對套管的磨損較大。尤其是在深井、超深井的鉆探過程當中，由于地質情況復雜、鉆井時間長等使得套管磨損嚴重，這一情況的發生和發展引發了嚴重的井下事故，造成了嚴重的經濟損失。為了避免鉆桿接頭磨損套管，鉆井研究人員及相關公司研制了一系列新型抗磨材料來替代硬質合金耐磨帶[1-5]。其主要目的是利用新型材料和套管的減磨性來防止套管磨損，并降低扭矩，其主要特點有以下幾方面：（1）對井下套管的磨損明顯減小；（2）敷焊耐磨帶沒有龜裂現象；（3）對鉆桿接頭和套管同時起到保護作用；（4）能有效地延長鉆桿壽命。

從套管磨損的模式研究可以看出，側向力和井眼軌跡是引起套管磨損的主要因素，那么降低鉆桿和套管之間的摩擦接觸或摩擦系數是防止套管磨損的核心和關鍵。在井眼軌跡、井深、鉆井周期、泥漿體系一定的情況下，研制套管減磨裝置來降低鉆桿和套管之間的摩擦接觸或摩擦系數成為解決套管磨損的技術方案之一。

針對前面討論的鉆桿接頭補焊耐磨合金帶、加裝鉆桿膠皮護箍和分體式套管防磨襯套等防磨措施存在的不足，近些年許多工具公司開始研制鉆柱式套管防磨裝置，在鉆井過程中可以將這種防磨裝置直接連接在鉆柱中，由于這種裝置的外徑大于鉆桿接頭一定的尺寸，可以在裝置位置形成支撐，避免鉆桿接頭直接磨損套管，并通過外滑套和心軸間的軸承轉動來防止套管磨損，并降低鉆井扭矩。設計過程中可采用不同的軸承設計(滾動和滑動)，相應使用不同的潤滑方式(開式和閉式)[6-11]。

1 防磨套工具設計

根據鉆井施工過程中，井下工況復雜、工作時間長及國內具備的現有生產工藝技術水平、能力等綜合條件考慮(生產螺桿鉆具TC軸承工藝和胎體鉆頭燒結技術比較成熟)，防磨裝置設計采用滑動摩擦副，開式潤滑方式。

該裝置主要由隨鉆柱一起轉動的心軸，上、下擋環和外部相對不轉動的旋轉防磨套等部分組成，心軸和外部不旋轉防磨套之間、外部不旋轉防磨套和上、下擋環之間設計有軸承摩擦副。鉆井過程中，根據井下工況選擇合適的數量和安放位置連接在鉆柱之中，鉆柱和外部不旋轉防磨套之間相互轉動，外部不旋轉防磨套和套管之間沒有高速的相對轉動，從而避免了鉆柱旋轉磨損套管；另外，由于軸承摩擦副的摩擦系數非常低，同時也大幅度地降低了鉆井扭矩。

鉆桿接頭式旋轉防磨裝置示意圖見圖1。該工具主要由防磨本體、復合材料防磨套和擋圈組成。防磨本體兩端分別為API螺紋,可連接在鉆柱上。鉆柱和防磨本體一起旋轉,復合材料防磨套與防磨本體之間存在相對轉動。

工作原理及技術參數：非旋轉鉆桿防磨套由本體、防磨套組件、防松頂塊等部件組成（如圖1所示），防磨套組件材料為較軟的樹脂復合材料。工具的本體，左端為公扣，右端為母扣，兩端分別連接鉆桿，本體中間部分加工有環形凹槽。防磨套組件為2個半環結構，將防磨套安裝在本體凹槽位置，防磨套與本體之間有一定間隙，保證之間能夠相對滑動，使用時，防磨套靠在套管內壁，相對靜止不動，由于防磨套外徑略大于鉆桿接頭的外徑，這樣起到支撐作用，而本體隨著鉆柱一起轉動，避免了鉆桿接頭和套管直接接觸。在常規鉆井情況下，該結構將鉆桿與套管的鋼-鋼硬摩擦變為與防護套與鉆桿之間的軟摩擦（防磨套不旋轉），由于防磨套材料的摩擦系數和硬度遠低于鋼材，且具有良好的耐磨性，因此，使用這種鉆桿防磨套可以大幅度降低鉆桿和套管的磨損。防磨套組件外環上設計有鉆井液流流動通道，鉆井液可通過防磨套外流動，而不會出現井下鉆井液流動不暢的情況。當防磨套組件損壞到一定程度時，可用新的防磨套組件更換替代，從而繼續使用。該工具主要的技術參數如表1所示。

圖1 防磨套結構示意圖

表1 工具技術參數

2 有限元力學分析

鉆井作業時，套管將不可避免地受到鉆桿對套管柱內壁的摩擦作用，造成套管的磨損。一般對套管產生磨損作用的是鉆桿接頭和鉆桿本體兩部分，其中起著主要影響的是鉆桿接頭，而且接頭與套管間接觸正壓力越大，對套管的磨損程度就越顯著。為了研究鉆桿安裝防磨套后對套管產生的影響作用，需要對套管內壁未發生磨損、套管內壁發生偏磨、防磨套與套管內壁的相互作用以及防磨套組件與本體相互作用進行對比有限元力學分析。

2.1 套管未發生磨損

本文采用平面應變單元的力學模型來代替空間模型，可以大大減少計算工作量，又能通過加密網格保證計算精性。針對接觸這樣的復雜非線性問題，這一點顯得更加重要。采用四分之一模型代替整個模型，對其進行了簡化。套管內外均受力，內壓力為套管內的液柱壓力25MPa，外力為均勻的水平地應力45MPa。單元類型為CPEG4R，即4節點的雙線性平面應變減縮積分單元。

圖2 套管未發生磨損時的分析結果

從分析結果看出(圖2)，在套管未發生磨損的情況下，套管在受內外壓力作用下，產生的應力很均勻，不存在應力集中的地方。最大應力為241MPa,位于套管的內壁，對于常用的N80套管來說，屈服強度為550MPa，所以套管不會發生屈服變形和破壞。

2.2 套管發生偏磨情況

當鉆桿接頭和套管直接接觸時，由于井眼軌跡的彎曲，鉆柱的連續旋轉會造成套管內壁發生偏磨，本文選擇當偏磨量為1.5mm時進行研究，磨損形狀為月牙形，施加的載荷與套管未發生磨損的情況相同。

從分析結果看出（圖3），當套管內壁發生偏磨時，會在偏磨位置產生應力集中，最大應力為327MPa,在相同的載荷情況下，套管上產生的應力明顯提高。此次只是選用偏磨量為1.5mm，當偏磨量繼續增加時，最大等效應力值會變得更大。

2.3 防磨套與套管相互作用

鉆桿連接上防磨套后，有前面工作原理所述，工具的防磨套組件會直接與套管內壁發生接觸，能避免鉆桿接頭直接與套管內壁接觸，而防磨套組件為較軟的材料，從而有效地防止套管內壁的磨損。建立防磨套與套管相互作用的有限元模型時，為了簡化模型，僅需要將單獨的防磨套組件取出來，與套管進行作用分析。

建立的套管—防磨套模型，依然采用4節點雙線型平面應變單元，在工作過程中，套管固定不動，防磨套的某一外側區域壓在套管的內壁上。

通過加載不同的壓力來分析套管和防磨套之間的應力應變。如圖4所示。

圖3 套管發生偏磨時的分析結果

圖4 不同壓力下的套管磨損程度

通過3組不同數據：5MPa、10MPa、20MPa的分析，隨著壓力的增大，套管和防磨套之間的應力逐漸增大，但最大應力仍只有119MPa，比沒有防磨套時的327MPa小很多（圖4），因此，在鉆井過程中，在鉆桿和套管之間增加防磨套是非常有必要的。

2.4 防磨套組件與本體相互作用

防磨套工具在實際工作時，工具的本體是隨著鉆柱一起旋轉，而防磨套組件是相對靜止不動的。心軸本體是鉆桿類的金屬材料，防磨套組件為較軟的復合樹脂材料，在鉆桿旋轉過程中，本體也會對防磨套組件產生磨損，由此有必要對防磨套組件與心軸本體的相互作用進行有限元力學分析。防磨套與本體相互作用模型中，心軸本體以60RPM旋轉。防磨套組件相對固定，心軸本體內承受10MPa的液壓力。在模擬分析中，預先設置心軸本體和防磨套在某一區域接觸。

圖5 防磨套—本體的相互作用分析結果

從圖5中看出，防磨套與本體之間最大的接觸應力14.8MPa,防磨套上產生的等效應力為8.9MPa,在此情況下防磨套損壞的可能性很小。

3 結論

本文設計出一種新的尺寸為?127mm鉆桿用防磨套工具，工具主要由防磨本體、復合材料防磨套和擋圈組成,該工具將鉆桿與套管的鋼—鋼硬摩擦變為與防護套與鉆桿之間的軟摩擦。利用有限元軟件分別對套管內壁未發生磨損、套管內壁發生偏磨、防磨套與套管內壁的相互作用以及防磨套組件與本體相互作用開展了力學分析，分析結果認為鉆井過程中使用該防磨套能夠有效地保護套管，避免過度磨損。

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